V_Учебно_методическое_пособие_для_внеаудиторной_СРС_Ч_1

2.1.– 1-д; 2-е; 3-г; 4-б; 5-в; 6-а;

2.2.– 1-1; 2-б; 3-а; 4-в.

3.1.-1,2,3; 3.2-2, 4.

4.1. – (+, +, +); 4.2. – (+, +, +).

Эталоны ответов на ситуационные задачи Задача 1.

Болезнь бери-бери, авитаминоз тиамина. Тиамин входит в состав тиаминпирофосфата (ТПФ) – кофермента, входящего в активный центр ферментов, катализирующих окислительное декарбоксилирование α-кетокислот (пировиноградной, альфа-кетоглутаровой), а также фермента транскетолазы. Таким образом этот витамин виде кофермента участвует в ключевых реакциях энергетического и углеводного обмена. Причинами авитаминоза В1 у больных, страдающих алкоголизмом, являются неполноценное питание а также непосредственное влияние этилового алкоголя на витамин В1. Авитаимноз тиамина сопровождается накоплением α-кетокислот (ацидоз), гипоэргозом (дефицит АТФ), что приводит к поражению нервной, мышечной систем, миокарда.

Задача 2.

Диагноз – авитаминоз витамина В2, связанный с недостаточным употреблением животных и, особенно, молочных продуктов – важнейших пищевых источников рибофлавина. Биохимический механизм действия рибофлавина связан с его участием в процессах биологического окисления и энергетического обмена. В клетках слизистой оболочки кишечника после всасывания витамин В2 включается в состав коферментов ФАД и ФМН, являющиеся частью активного центра флавиновых дегидрогеназ, принимающих участие в окислительновосстановительных реакциях.

Задача 3.

Наблюдаемые симптомы могут быть объяснены дефицитом витамина РР (пеллагра), в результате нарушения его всасывания в кишечнике. Витамин РР входит в состав коферментов НАД и НАДФ – простетической группы пиридиновых дегидрогеназ. Патогенез пеллагры связан с нарушением окислительновосстановительных реакций вследствие снижения активности пиридиновых дегидрогеназ. В результате в органах и тканях наблюдаются дистрофические процессы, наиболее выраженные в быстро делящихся эпителиальных клетках (кожа, слизистые), а также ЦНС (симптомы трех Д: диарея, деменция, дерматит).

Задача 4.

Препараты витамина К используются как средства, предупреждающие кровотечения, поскольку витамин К относится к непрямым коагулянтам, участвующим в образовании в печени факторов свертывания II, VII,IX X. Участие заключается в -карбоксилировании остатков глутаминовой кислоты в ходе постсинтетического «дозревания» белков свертывания крови. Дополнительная карбоксильная группа необходима для взаимодействия с ионами Са++ (факторы II, VII, IX, X являются Са++-зависимыми).

91

Вопросы для контроля усвоения темы.

1. Что такое кофермент?

2.Назовите коферментные формы витаминов В1, В2 и типы соответствующих биохимических реакций, в которых участвуют эти коферменты.

3.Назовите коферментные формы витаминов В6, В3 и типы соответствующих биохимических реакций, в которых участвуют эти коферменты.

4.Назовите коферментные формы витаминов РР, Н и типы соответствующих биохимических реакций, в которых участвуют эти коферменты.

5.Назовите коферментные формы витаминов Вс (фолиевой кислоты), В12 и типы соответствующих биохимических реакций, в которых участвуют эти коферменты.

6. Почему опасность развития гипервитаминоза выше при приеме жирорастворимых витаминов, а не водорастворимых?

7.Какой метод можно использовать для оценки обеспеченности организма аскорбиновой кислотой?

Занятие № 3.4. Энергетический обмен. Ферменты биологического окисления. Общие пути катаболизма

Цель занятия - закрепить знания о процессах образования и использования энергии в биосистемах, ферментах биологического окисления и общих путях катаболизма.

В результате изучения темы для формирования общепрофессиональных и профессиональных компетенций студент должен

знать:

-Классификацию Организмов По Источнику Энергии И Углерода -Особенности Строения И Механизма Действия Окислительных Ферментов -Этапы Унификации Энергетических Субстратов В Клетках -Общие Пути Катаболизма

уметь:

-Написать окислительно-восстановительные превращения коферментов НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД, КоQ, железопорфиринов,

-Охарактеризовать этапы унификации окислительных субстратов в животном организме.

-Написать химизм этапов декарбоксилирования пировиноградной кислоты и цикла трикарбоновых кислот -Интерпретировать результаты определения пировиноградной кислоты в моче.

владеть:

-Методами качественного обнаружения сукцинатдегидрогеназы, цитохромоксидазы в биологическом материале -Методом количественного определения пировиноградной кислоты в моче

92

Содержание занятия

План занятия включает контроль выполнения заданий для самостоятельной работы студентов, тестовый контроль, рассмотрение узловых вопросов, решение ситуационных задач, реферативное сообщение и его обсуждение, выполнение лабораторной работы.

Методические указания к самоподготовке

Механизмы преобразования энергии в биологических системах представляют один из самых сложных вопросов биологической химии. Источником энергии для хемотрофов являются экзергонические окислительные реакции катаболизма, осуществляемые пиридиновыми, флавиновыми дегидрогеназами и дыхательными цитохромами. Особенность биологического окисления заключается в поэтапной, последовательной передаче электронов от окисляемых субстратов на конечный акцептор - кислород, в результате чего энергия выделяется постепенно, и часть ее может аккумулироваться в макроэргических связях АТФ. Таким образом в биологических системах АТФ выполняет роль непосредственного переносчика энергии от катаболических (экзергонических) процессов к анаболическим (эндергоническим).

Катаболизм является конвергентным процессом, в ходе которого большое число пищевых веществ превращается в небольшое число более простых молекул, таких как ПВК, ацетил-КоА, субстраты ЦТК. Именно на стадии общих заключительных путей катаболизма (общих для всех типов макронутриентов) выделяется большая часть энергии, заключенной в пищевых веществах.

Вопросы, рассматриваемые на занятии важны для понимания патологических изменений при различных видах гипоксии, некоторых гиповитаминозах.

Вопросы для теоретического изучения

1.Обмен веществ и энергии как единая сопряженная система. Классификация организмов по типу питания и источнику энергии.

2.Биохимическая термодинамика. Экзергонические и эндергонические реакции в клетке.

3.Биологическое окисление. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии учения и биоокислении (Лавуазье, Бах, Палладин, Митчелл, Скулачев).

4.Энергетическое (сопряженное) и свободное окисление, их локализация в клетке.

5.Структурная организация митохондрий. Внутримитохондриальная локализация ферментов биоокисления.

4.Дегидрирование субстратов как начальный этап биоокисления. Характеристика пиридиновых и флавиновых дегидрогеназ. Первичные, вторичные, аутооксидабельные и неаутооксидабельные дегидрогеназы.

5.Цепь передачи электронов митохондрий. Последовательность реакций дыхательной цепи. Понятие о редокс-потенциалах компонентов дыхательной цепи. 6.Экзергонические и эндергонические реакции в клетке. Энергетическая ценность белков, жиров и углеводов.

7.Макроэргические соединения. Типы макроэргических соединений.

8.Строение АТФ и его роль в биоэнергетике.

93

9.Фазы катаболизма. Этапы унификации субстратов окисления.

10.Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Строение мультиэнзимного пируватдегидрогеназного комплекса. Последовательность реакций.

11.Цикл трикарбоновых кислот Кребса. Последовательность реакций. Регуляция скорости ЦТК.

Для более успешного усвоения темы письменно выполните в рабочих тетрадях следующие задания.

Указания к выполнению задания

1.Напишите структурные формулы НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД и схематически представьте их окислительно-восстановительные превращения. 2.Напишите структуру и редокс-цикл убихинона.

3.Перечислите цитохромы дыхательной цепи митохондрий и выпишите особенности их структуры и биологическую роль.

4.Напишите структуру простетической части цитохромов в, с и с1. 5.Напишите последовательность реакций дыхательной цепи митохондрий. 6.Напишите структурные формулы важнейших макроэргических соединений, указывая значком ~ макроэргические связи и значение энергии свободного гидролиза:

а) ди- и трифосфонуклеозиды аденина, гуанина, урацила, цитозина и тимина; б) ацилфосфаты - ангидриды карбоновых и фосфорной кислот: ацетилфосфат, 1,3-дифосфоглицерат; в) енолфосфаты – фосфоенолпируват;

г) гуанидинфосфаты – креатинфосфат; д) тиоловые эфиры - ацетил-КоА и сукцинил-КоА;

е) сульфониевые соединения - S-аденозилметионин.

7.Схематически изобразите пути и этапы унификации окислительных субстратов в животном организме.

8.Напишите химизм этапов декарбоксилирования пировиноградной кислоты и укажите валовое уравнение этих превращений.

9.Напишите химизм этапов цикла трикарбоновых кислот Кребса с указанием соответствующих ферментов. Обратите внимание на обратимые и необратимые.

10.Выпишите регуляторные ферменты и факторы, определяющие скорость протекания процесса

Тема в кратком изложении. Для закрепления материала занятия рассмотрите и обдумайте следующие таблицы-схемы.

94

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ –

процесс дегидрирования и последовательного транспорта электронов к конечному акцептору – кислороду

ФЕРМЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ:

Первичные дегидрогеназы (непосредственно взаимодействуют с субстратами окисления):

НАД(Ф)-зависимые ФАД-зависимые

Вторичные дегидрогеназы (окисляют восстановленные коферменты): ФМН-зависимые (НАДН-дегидрогеназа), КоQ

Цитохромы (гемсодержащие белки)

цитохром a3

гем цитохромов в с1 с

цитохром в5

цитохром Р450- зависимые монооксигеназы

Активный центр цитохромов – железо гемового кольца

Fe3+ + e ↔ Fe2+

95

Сравнительная характеристика первичных дегидрогеназ

Схема унификации субстратов окисления. Этапы катаболизма пищевых веществ

Митохондрии – энер-

гетические станции клетки

Наружная Внутренняя мембрана Матрикс Межмембранное пространство

Примеры тестов для контроля исходного уровня знаний.

Выберите один наиболее верный ответ

1.1. … - ЭТО СОВОКУПНОСТЬ ВСЕХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ IN VIVO

1)ассимиляция

2)диссимиляция

3)катаболизм

96

4)анаболизм

5)метаболизм

6)межуточный обмен

1.2.СУММАРНОЕ УРАВНЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА СООТВЕТСТВУЕТ

1)СН3СОСООН+НАД++СоАSН→СН3-СОСоА+СО2+НАДН+Н+ 2)СН3-СОСоА+НАД++ФАД+АДФ→ 2СО2+3НАДН+Н++ФАДН2+АТФ+

СоАSН

3) СН3СОСООН+ФАД+ СоАSН→ СН3-СОСоА+СО2+ФАДН2

Установите соответствие

2.1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ - ОПРЕДЕЛЕНИЕ

2.2. ОРГАНИЗМ - ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ И ТИП ПИТАНИЯ.

97

Выберите несколько правильных ответов

3.1.КАТАБОЛИЗМ – ЭТО ПРОЦЕСС

1)конвергентный (сходящийся)

2)экзергонический

3)сопровождающийся высвобождением энергии

4)дивергентный (расходящийся)

5)эндергонический

6)сопровождающийся потреблением энергии

3.2.ПРИМЕРОМ СУБСТРАТНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ РЕАКЦИИ

1)сукцинил СоА+АДФ→сукцинат+АТФ

2)глюкоза+АТФ→глюкозо-6-фосфат+ АДФ

3)креатинфосфат+ АДФ→ креатин+ АТФ

4)АДФ+Рн→АТФ

5)галактоза+АТФ→галактозо-6-фосфат+ АДФ

3.3.СКОРОСТЬ ОКИСЛЕНИЯ АЦЕТАТА В ЦТК УМЕНЬШАЮТ

1)снижение коэффициента АТФ/АДФ

2)низкая концентрация НАДН

3)высокая концентрация АМФ

4)снижение коэффициента НАД+/НАДН

5)снижение коэффициента ГТФ/ГДФ

Установите правильность утверждений и их логическую взаимосвязь 4.1.Дефицит витамина РР сопровождается нарушением окислительных реакций

вклетке, поскольку никотинамид входит в состав кофермента НАД.

4.2.Окислительное декарбоксилирование пирувата относится к общему пути катаболизма, потому что пировиноградная кислота образуется в ходе метаболизма углеводов, аминокислот, глицерина и высших жирных кислот.

Примеры ситуационных задач

Задача 1.

Для определения активности НАД-зависимых ферментов используется способность восстановленной формы пиридиновых коферментов поглощать свет при длине волны 340 нм. Определите состав инкубационной среды для спектрофотометрического определения активности митохондриальной малатдегидрогеназы а) по возрастанию светопоглощения при 340 нм, б) по убыванию светопоглощения при 340 нм.

Задача 2. Приведите последовательность передачи электронов при окислении а) изоцитрата, б)сукцината. Какой из этих субстратов окисляется быстрее?

Задача 3. В ходе окислительного распада пирувата до углекислого газа и воды высвобождается 273 ккал/моль энергии. При “подключении” окисления пирувата к дыхательной цепи образовалось 12,5 молекул АТФ. Подсчитайте эффективность процесса синтеза АТФ.

98

Задача 4. Ацетильный остаток, меченный 14С по обоим углеродным атомам (14СН314СОКоА), окисляется в цикле лимонной кислоты. Проследите судьбу радиоактивной метки. Определите, в каком соединении будет обнаружи-

ваться 14С после первого оборота цикла. В ходе какого оборота ЦТК будет выделяться 14СО2?

Эталоны ответов к тестовым заданиям

1.1. 1 -5; 1.2. -1; 2.1: 1-б, 2-в, 3-а 2.2.: 1-б, 2-г, 3-а, 4-в

2.3.: 1-а,в,е,з 2-б,в,д,ж, 3-б,г,д,ж

2.4: 1-а; 2-в; 3-д; 4-б; 5-г; 6-а 3.1. – 1,2,3; 3.2.- 1, 3; 3.3.- 2,4 4.1.- (+, +, +); (++-).

Эталоны ответов на ситуационные задачи Задача 1. Активность ферментов определяется при концентрациях суб-

страта, обеспечивающих V max, поэтому состав инкубационной среды по прямой реакции должен содержать субстрат – яблочную кислоту. Достижение V max требует и поддержания оптимального значения рН, следовательно, должен использоваться соответствующий буфер. Вследствие того, что НАД-зависимые дегидрогеназы непрочно связывают кофермент, требуется добавление к среде определения и кофермента – окисленной формы НАД. Для определения активности фермента по обратной реакции (по убыванию светопоглощения) среда будет содержать оксалоацетат, восстанновленный НАД и соответствующий буфер.

Задача 2. Последовательность реакций при окислении изоцитрата (НАДзависимый субстрат): изоцитрат →НАД+→ФМН→КоQ→цит b→цит c1→цит c→цит a→цит a3→кислород; при окислении сукцината (ФАд-зависимый субстрат): сукцинат→КоQ→цит b→цит c1→цит c→цит a→цит a3→кислород. Сукцинат окисляется быстрее, так как в соответствии с величиной редокспотенциала электроны от ФАДН передаются непосредственно на убихинон, минуя ФМН.

Задача 3. Энергия гидролиза АТФ составляет – 7,3 ккал/моль, следовательно, гидролиз 12,5 молекул АТФ высвобождает 12,5 7,3 = 91,3 ккал/моль энергии, тогда как образование этого количества АТФ требует 273 ккал. Эффективность составляет 91,3100/273=33,4%.

Задача 4. В результате альдольной конденсации щавелевоуксусной кислоты и меченого по указанным положениям ацетила образуется лимонная кислота со следующим распределением радиоактивной метки

99

Углеродные атомы, имеющие происхождение из меченого ацетила, в ходе первого оборота цикла окисляться не будут, поэтому радиоактивная метка будет обнаруживаться в центральных атомах регенерированного ЩУК (НООС- 14СН214СО-СООН). В ходе второго оборота, после конденсации ацетила и меченого ЩУК, будет образовываться лимонная кислота:

,

поэтому в ходе второго оборота меченые углероды окислительному декарбоксилированию подвергаться не будут и выделится ЩУК со следующим распределением радиоактивной метки НООС-СН214СО-14СООН. Таким образом, 14СО2 будет выделяться в ходе третьего оборота цикла.

Вопросы для контроля усвоения темы

1. Какие ученые внесли вклад в развитие учения о биологическом окислении и в чем особенность биоокисления от окисления in vitro?

2. Какие типы ферментов участвуют в биологическом окислении

3. Чем отличаются первичные и вторичные дегидрогеназы?

4. К какому классу сложных белков относятся тканевые ферменты цитохромы?

5. Почему цитохромоксидазу называют аутооксидабельным ферментом?

6.Какова энергетическая ценность окисления 1 грамма различных классов макронутриентов?

7.В чем суть унификации субстратов окисления?

8.Какие вещества называются макроэргическими?

9.Почему in vivo именно АТФ выполняют роль универсального переносчика энергии от катаболических к анаболическим процессам?

10.Перечислите основные фазы катаболизма пищевых веществ.

11.Какие процессы относят к общим путям катаболизма и почему?

12.В какой структуре клетки протекают общий путь катаболизма?

13.Какие коферменты участвуют в окислительном декарбоксилировании пирувата?

100